CN102474175A - 用来控制电感负载的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于电感负载的控制电路，包括直流电源(DC)、电气开关(A和R)、及将电流引导到电感负载的适当电导体，其中控制系统包括初级电路和次级电路，该次级电路部分地与初级电路共存。初级电路包括串联的直流电源(DC)、为电动机(M)或变压器(T)形式的电感负载以及电容器(C)，而次级电路包括电感负载以及电容器(C)，其中两个电气开关(A和R)布置成使得第一操作阶段中功率由直流电源(DC)供给的电压驱动通过初级电路，而在另一个操作阶段中电流由电容器(C)供给的电压运行通过次级电路。也有对于一种控制电感负载的方法的说明。

Description

用来控制电感负载的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于电感负载的控制电路，该控制电路如在权利要求1的前序部分中叙述的那样。根据另外方面，本发明涉及一种用来控制电动机/电感负载的方法，该方法如在权利要求10的前序部分中叙述的那样。
背景技术
能量节省和减小通过能量对于环境的压力的措施，在最近几年已经被强烈地关注，并且期望甚至更加强烈，因为以前称作发展中国家的国家和地区正在成为工业化国家，对能量具有比以前大得多的需求。降低能量消耗和节约环境资源的任何措施在当今世界上都将是有价值的。
关于电能，其消耗分布在工业中以及在私人和公共住宅中的各种设备和器具上。一些发热，一些发光，及一些转到电器，如冰箱、空调、洗衣机、压缩机、吹风机、电锯、磨床、钻床及多种其它电气设备。不只是大量功率用于运输，如有轨电车、无轨电车等，并且甚至也用于电动私人汽车。显然，除按环境最友好方式得到电能之外，具有重大价值的是，能够降低在各个电器中每执行工作量的能量消耗。
关于直流电机的控制，当今的主要系统是所谓的PWM(脉冲宽度调制)控制系统，该PWM控制系统打算根据信号或电源而调制循环。这或者要通信地传输信息，或者要控制负载的效果，该负载可能是电烤箱或电动机。
就用于三相电机控制的原理或系统而论，ESC(电子速度控制)是一种电子电路，该电子电路具有改变电动机速度、方向的目的，并且作为动态制动器。
变压器(在技术领域中常常简称为CT)是一种借助于电磁感应将能量从一个电路传输到另一个电路的装置。能量可在交变电流场中传输，变压器因而必须借助于交流电源而工作。
尽管有上述技术在当今盛行的事实，但并不意味着，没有改进的空间或需要，所以你按使用的电能量，可做更多的实际工作。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种控制电路、或用于诸如电机和变压器之类的电感负载的控制电路的一种原理，这些电感负载提供比至今已知系统大的能量利用率。
本发明的另外目的是，借助于容易和廉价实施的装置实现主要目的，从而要使用的设备不会变得更昂贵或复杂。
以上目的由本发明实现，本发明根据第一方面包括在权利要求1中所限定的一种控制电路。
根据另一个方面，本发明涉及在权利要求10中规定的一种方法。
本发明的优选实施例由独立权利要求是显然的。
本发明的要点是节能，并且本发明证明，通过这样一种简单补救办法可节省显著的能量，该简单补救办法交替地将功率供给到电容器和从电容器排出功率，该电容器放置在对于相关功率消耗装置的电源中，这些功率消耗装置为电感负载的形式。这与在本领域中接受的理论不一致，并且本发明因而代表重大惊喜，并且必须说打破了在本领域中的现有偏见。
本发明基于是非能量消耗元件的电容(condenser)现象。在当今的全部用途中，电容器因为它们的能量容量被使用。
电容用来稳定电源，保证能量消耗装置始终具有足够的能量使用。电容器建造成存储能量，直到需要能量。电容器的充电不消耗能量。能量只是被移动。通过使用这种特征，当你填充电容器时，你可由无功能量做有功工作。这通过经能量消耗装置将电容器充电而实现，该能量-消耗装置将执行一件工作。然后你可将在电容器中存储的能量用于有功工作，该有功工作与由充电执行的工作相对应。
描述的直流电源可以是用来整流交变电流的一个或多个电池或装置。电气开关能是任何种类的物理或电子开关。作为物理开关，也将典型地是设计成通过使用电脉冲接通或切断(闭合或断开)的开关。
术语ESC代表电子速度控制，并且术语BLDC代表无刷直流电机。
附图说明
在下面，参照附图描述本发明。
图1表示本发明的第一实施例，其中电感负载是双极电机。
图2表示本发明的第二实施例，其中电感负载是单极电机。
图3表示本发明的第三实施例，其中电感负载是三相电机。
图4表示本发明的第四实施例，其中电感负载是变压器。
图5表示本发明的又一个实施例。
图6表示根据在图1中表示的设计形式的双极电机的示意图。
具体实施方式
术语M在下面应用于通常的电动机，而MB用于双极电机，MM用于单极电机，及MT用于三相电机。
图1表示初级电路，该初级电路包括直流电源DC、第一电气开关A(有功开关)、为双极电机MB形式的电感负载、电容器C、及连接这些元件的电导体。当开关A闭合(连接)时，电流将在电路中顺时针流动，直到最终电容器C被完全充电。也有次级电路，该次级电路包括同一双极电机和同一电容器、电气开关R(无功开关)、及连接上述元件的电导体。当开关R闭合，并且开关A断开(不连接)时，电流将在次级电路中逆时针流动，直到R再次断开，或者如果没有功率留在电容器C上。本领域的技术人员将理解，开关A和R不能同时闭合，否则将使直流电源短路。电气开关A和R的断开和闭合将按一种速率，该速率由在线路中使用的实际电机借助于电机的极性变化而确定。MB电极将接收交变电流，如计划的那样，每当电机改变极性时有电流方向的变化。应该强调的是，有功开关A和无功开关R可以是相同的，标记如此选择是因为，A在所谓的有功阶段中闭合(当直流电源驱动流动时)，而R在无功阶段中闭合(当电容器驱动流动时)。还应该注意，以上和下面使用的术语“顺时针”和“逆时针”，仅与表示的图相关，并且不代表本发明的基本特征。
我们现在将参照图2。该图表示与在图1中表示的相同的通用元件。另外，它表示二极管，该二极管与单极电机MM并联，从而仅当电压在电机的右侧上比在左侧上高时，即在其中无功开关R闭合并且有功开关A未闭合时，电才可在并联元件中通过。也有与电机MM串联的二极管，以防止在无功阶段中“旁通”过电机。也在这种情况下，也可能有布置成与MM电机相连接的传感器，这些传感器断开和闭合开关A和R，由此在有功阶段(在初级电路中的顺时针电流)与无功阶段(在次级电路中的逆时针流动)之间来回连接。对于本领域的技术人员容易明白，在这种情况下的电流在有功和无功阶段中将在相同方向上流过电机MM，即MM电机按由电机速度给出的频率，接收脉冲直流功率。
我们现在将参照图3。本发明用于与三相电机相连接的原理，与已经概述的那些构造形式准确地相同，但由于电机的复杂性，在整个过程从开始再次启动之前，将有控制通过的总共六个阶段，而不是两个。这意味着，本发明必须借助于依次接通的三个初级和三个次级电路而实施。
在第一、第三及第五操作阶段中，有功开关A闭合，而无功R开关断开。在第二、第四及第六操作阶段中，无功R开关闭合，而有功开关A断开。这完全与在图1和2中的情形相似。另外有控制三相的六个另外开关，这些开关的编号为S1至S6，这些开关按下面所描述的顺序分别闭合、断开。
在第一阶段中，开关S1和S5闭合，并且其它四个断开。这是有功阶段，其中，直流电源驱动电机的绕组相Y和Z、和电容器电源。在第二阶段中，开关S1和S6闭合，并且其它四个断开。这是无功阶段，电容器运行电机绕组相Y和X。在第三阶段中，开关S2和S6闭合，并且其它四个断开。这又是有功阶段，其中，直流电源驱动电机绕组相Z和X、和电容器电源。在第四阶段中，开关S2和S4闭合，并且其它四个断开。这又是无功阶段，其中，电容器驱动电机的绕组相Z和Y。在第五阶段中，开关S3和S4闭合，并且其它四个断开。这再一次是有功阶段，其中，直流电源驱动电机绕组相X和Y、和电容器电源。最后，在第六阶段中，开关S3和S5闭合，并且其它四个断开。这再一次是无功阶段，其中，电容器驱动电机的绕组相X和Z。
当已经完成以上六个操作阶段时，已经执行用于三相电机的完整“循环”，并且它全部从第一操作阶段又一次开始等等。
当与或者单相或者三相的电动机一道执行本发明时，优选的是，电容器的电压在直流电源的电压的30-70％的范围中。
为了感测在三相电机中的转子位置，有三个选项：Hall效应晶体管、光学传感器及EMF(电磁场)。
图4表示初级电路，该初级电路包括直流电源、第一电气开关A(有功开关)、为变压器T1形式的无功负载、电容器C及连接这些元件的电导体。当开关A闭合(连接)时，电流将在电路中顺时针流动，直到最终电容器C被完全充电。也有次级电路，该次级电路包括同一变压器和同一电容器、电气开关R(无功开关)、及连接上述元件的电导体。当开关R闭合，并且开关A断开(不连接)时，将在次级电路中流动逆时针电流，直到R再次断开，或者如果没有功率留在电容器C上。专业人员将理解，开关A和R不能同时闭合，否则将使直流电源短路。电气开关A和R的断开和闭合将按一种速率，该速率由信号发生器确定，典型地50Hz。变压器T1因此将发现它接收交变电流，如计划的那样，每当信号发生器改变极性时有电流方向的变化。负载L因此将经历与设定频率相同的交流。当电容器的电压具有直流电源的电压的50％的数量级时，相对于变压器最好地实现描述的发明。
图5表示本发明的另一种替代设计形式，其中，电感负载具有电机的形式，该电机连接在四个开关S1-S4的所谓H桥中，该H桥允许电机在任何方向上运行。电机可以是双极或单极电机。
图6表示简化的单相、无刷、双极电机，该电机具有线圈、磁铁及传感器(H1和H2)。这种类型的电机，依据缠绕方法，可以是单极的和双极的。传感器H1和H2在与在转子中的永久磁铁的极性变化相同的角范围中。如果磁铁的极性每个变化90度，则H1的角度将是等效的。如果电机是单极的，则在磁铁之间将有明显的差异。
正是在转子上的磁铁是BLDC电机的外动子(outrunner)还是内动子(inrunner)，确定它应该是什么种类的绕组、和是否有单极或双极电机。图5表示所谓的外动子，其中，磁铁在绕组外的转子上。所谓的内动子具有在转子轴上的磁铁，并且绕组围绕转子。
尽管就在电动机的一个操作循环的过程中出现的操作，一般地讨论了以上发明，但清楚的是，在专业实践中，本发明的优点在显著数量的操作循环的运行中将是显著的。就是说，相对于例如第一、第三及第五操作阶段已经描述的操作，对于每个奇数操作阶段重复。相应地，相对于例如第二、第四或第六操作阶段描述的本发明的显著优点，将对于每个偶数操作阶段重复。
一般地，应该注意，根据本发明的系统除表示和描述的那些之外也可包括其它元件，因为这里仅专门注意本发明的通用和基本特征。因而例如，为了稳定电源，按常规方式使用另外的电容器可以被包括，而不违反本发明的原理。
尽管本发明的主要好处是能量节省，但也有控制电路的潜在性质，即，如果电机由于任何原因应该停止，则电路不可能继续消耗功率。
概括和总结的本发明包括：
●使用执行工作的负载用能量填充电容器的电路。
●当功率由二极管控制并且通过负载及填充电容时，使用执行工作的负载填充电容器的电路，并且该电路在同一方向上通过负载放电。
●当电流通过负载并且填充电容时，通过执行工作的负载填充电容的电路，在此之后，流动按相同路线返回通过负载并且放空电容器。
●利用电容器的特性使得有可能利用有功和无功能量执行工作的电路。
例子
下面描述一些简单例子，这些简单例子与常规PWM控制相比，描述根据本发明的用于控制的节省潜力，该常规PWM控制现在被认为是单相(无刷)电机的标准管理。
在例子中的电机是来自Torin-Sifan、型号DSG75-40的无刷电机，该电机当今在市场上是公众可得到的。在系列1中，同一电机关于风扇借助于根据讨论发明的控制和常规控制器而操作，该风扇不带有连结的风扇壳体。功率供给增大，直到它达到3600rpm的恒定速度，该恒定速度代表由风扇完成的给定、恒定量工作。附加到常规控制系统上的效果，按定义设定到100％。
表1
表格表示，根据本发明达到工作负载，关于基准试验(常规控制电路)附加的效果，本发明具有68.6％的附加效果。
在系列2中，装上风扇壳体，并且其它条件不变。就是说，招致的电功率保持不变。借助于本发明操作，速度从3600下降到3210。借助于常规控制系统操作(基准1)，速度减小到3120rpm。就是说，扭矩(按附加效果)使用本发明的控制系统比关于常规管理大。随后，提高电源的电压(基准2)，速度再次与使用本发明的控制的速度相对应，并且再次比较附加的电气效果。使用本发明的功率消耗是由常规系统使用的功率的68.3％。
在系列3中，为了使用本发明测量以及为了相对于基准控制而测量，再次提高电压，直到两者都达到3400的电机速度。当使用本发明时，功率消耗现在下降到由基准要求的功率的63.8％。
在系列4中，再次提高电压，这此达到3660的恒定速度，并且进行相同的比较。这时，效果差别在一定程度上甚至更大，因为使用本发明的控制仅要求由常规控制要求的功率的62.3％。
以上测量表示，对于给定量的工作，与常规系统相比，本发明使得有可能节省大于30％的供给电能。
本发明不限于任何给出相关节省，而是限于这里表示的一般原理的利用，因为节省可随用途而不同，并且在某些情况下，可能比这里表示的节省显著地小。

Claims (10)

1.一种用于电感负载的控制电路，包括直流电源(DC)、电气开关(A和R)以及将电流引导到电感负载的适当电导体，其特征在于，包括初级电路和次级电路，所述次级电路部分地与初级电路共存，其中初级电路包括串联的直流电源(DC)、电感负载(M/T1)以及电容器(C)，而次级电路包括电感负载(M/T1)以及电容器(C)，其中两个电气开关(A和R)布置成使得在第一操作阶段中电流由直流电源(DC)供给的电压驱动通过初级电路，而在另一个操作阶段中电流由电容器(C)供给的电压驱动通过次级电路。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，初级电路包括第一电气开关(A)，所述第一电气开关(A)在第一操作阶段中闭合，而次级电路包括第二电气开关(R)，所述第二电气开关(R)在第一操作阶段中断开，此后，第一电气开关(A)的断开和第二电气开关(R)的闭合从初级电路到次级电路改变流动路径。
3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，电感负载是双极电动机(MB)，并且第一电气开关(A)和第二电气开关(R)布置成，每当电机改变极性时，借助于传感器(H1、H2)同时分别断开、闭合，从而相对于第一操作阶段，在第二操作阶段中，驱动流动在相反方向上通过电机。
4.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，电感负载是单极电动机(MM)，并且控制也包括与电机并联连接的至少一个二极管(D2)以及与电机(MM)串联的至少一个二极管(D1)，以整流通过电机(MM)的电流，而与是初级电路闭合还是次级电路闭合无关。
5.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，电感负载是变压器(T1)，并且第一电气开关(A)和第二电气开关(R)布置成，借助于经由信号发生器改变极性的频率控制分别断开、闭合，从而相对于第一操作阶段，在第二操作阶段中，电流在相反方向上运行通过变压器(T1)。
6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，电气开关重复地在全部奇数操作阶段(1、3、5等等)中通过初级电路提供功率并在全部偶数操作阶段(2、4、6等等)中通过次级电路提供电流。
7.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，当电感负载是变压器(T1)时，电容器电压为直流电源(DC)的电压的50％的数量级。
8.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，当电感负载是感应电机(M)时，电容器电压为直流电源(DC)的电压的30-70％的数量级。
9.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，控制器包括三个初级环、为用于BLDC电机的ESC控制和两个电气开关(A和R)形式的三个次级电路和六个电气开关(S1-S6)以及二极管，它们全部连接以构造三相电气控制，适合在单个操作循环期间经历六个不同操作阶段。
10.一种用来控制电感负载的方法，其特征在于：
a)在第一操作阶段中，从直流电源驱动电感负载，所述直流电源也将功率供给到电容器，
b)在第二操作阶段中，当直流电源临时不连接时，用来自电容器的功率驱动负载，及
c)将步骤a)和b)重复期望多次。
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